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STEUERUNGEN UND REGELUNGEN 10 Energieeinsparung GSK-System gegenüber konventionellem Stromteilersystem (LUDV) im Grabzyklus (Simulation) FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG lich kleineren Pumpenvolumenstrom. Weiterhin ist beim Vergleich beider Grafiken jeweils links unten (Ausleger Bereich 3) zu erkennen, dass die Ablaufdrosselverluste am lastführenden Verbraucher mithilfe der lastadaptiven Kantenabstimmung im GSK-System wesentlich kleiner ausfallen, als im LUDV-System. Die höheren Ablaufverluste am niederbelasteten Verbraucher (Stiel Bereich 3) sind durch die Anhebung von dessen Druckniveau bedingt, um die HD-R zu ermöglichen. Dies verschiebt die aufgrund der Lastsituation unvermeidbaren verbleibenden Verluste von der Zulauf- auf die Ablaufseite. Aufgrund des leicht unterschiedlichen Ansprechverhaltens der beiden Systeme waren die Betriebszustände zwischen LUDV- und GSK-System nicht exakt reproduzierbar, was die zwischen beiden Systemen geringfügig abweichenden Nutzleistungen erklärt; jedoch zeigt der Vergleich deutlich das beträchtliche Einsparpotential. Bedingt durch das Kolbenflächenverhältnis am lastniederen Verbraucher ist dessen Energieaufnahme durch die HD-R um bis zu 67% reduzierbar. 5.2 GRABZYKLUS Der in Abschnitt 2 eingeführte Grabzyklus wird mithilfe nichtlinearer Systemsimulation untersucht, da eine reale Durchführung am vorliegenden Prüfstand nicht möglich ist. Grundlage dazu ist ein mithilfe von Laborversuchen validiertes Modell vom Ventilsystem und der Arbeitsausrüstung des Kompaktbaggers. Die zuvor beschriebenen Steuerungsalgorithmen werden auf einer virtuellen SPS implementiert, welche das Simulationsmodell steuert. Ein virtueller Bediener in Form eines PI-Wegreglers für jede einzelne Achse erzeugt die Sollgeschwindigkeiten, welche die SPS durch Ansteuerung des Modells umsetzt. Die Ergebnisse des Versuchs sind in Bild 10 dargestellt. Mithilfe der GSK-Technologie ist eine lastadaptive Kantenabstimmung möglich, die Drosselverluste an den Ablaufkanten auf ein Minimum reduziert. Weiterhin reduziert die Hochdruckregeneration HD-R im Teillastbereich den von der Pumpe aufgenommenen Volumenstrom. Mit diesen beiden Maßnahmen werden im betrachteten Arbeitszyklus 20 % der Pumpenarbeit eingespart, wobei die größten relativen Einsparungen im Teillastbereich ab ca. 5s auftreten. 6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Im vorliegenden Beitrag wurde eine Methode zur Ableitung und Auslegung eines Steuerungssystems mit getrennten Steuerkanten vorgestellt und am Beispiel eines Kompaktbaggers ausgeführt. Der betrachtete typische Grabzyklus einer solchen Maschine zeigt ein theoretisches Energieeinsparpotential von bis zu 25 % Pumpenarbeit gegenüber dem reinen Normalbetrieb NM mit lastadaptiver Kantenabstimmung durch Nutzung aller denkbaren Zusatzbetriebsmodi, welche im Übersichtsbeitrag „Systematik und Auslegung von Systemstrukturen mit getrennten Steuerkanten“ vorgestellt wurden. Allerdings sind bereits mit der Hochdruckregeneration HD-R allein 16 % einsparbar und – wenn man bis zu drei Betriebsmodi in Betracht zieht – 24 % mit den Kurzschlussregenerationsmodi HD-R-SC und ND-R-SC. Für eine praktische Umsetzung der getrennten Steuerkanten sind bezogen auf die Baggeranwendung also lediglich drei Modi ein guter wirtschaftlicher Kompromiss, der bereits fast das volle Einsparpotential ausschöpft. Aus der Forderung, Normalbetrieb NM und Hochdruckregeneration HD-R in beiden Bewegungsrichtungen umsetzen zu können, sowie der für Prüfstandanwendungen geforderten besonderen Flexibilität wurde eine Systemstruktur abgeleitet, welche aus zwei Proportionalventilen und vier Schaltventilen, sowie einer Druckwaage nebst zugehörigem Lastmelde-Schaltventil pro Zylinder besteht und über eine elektrisch schwenkwinkelgesteuerte Pumpe verfügt. Die hierzu entwickelte Betriebsstrategie, bestehend aus einer Zentralsteuerung und unterlagertem Achsmanagement, zeigt 40 O+P Fluidtechnik 5/2018
STEUERUNGEN UND REGELUNGEN an einem Baggerarm-Laborprüfstand ein gutes Geschwindigkeitsund Druckfolgeverhalten für die Vorgabe der Sollgeschwindigkeit und des Zulaufkammerdrucks durch die Zentralsteuerung. In einem für Teillast-Betriebsfälle typischen Planierzyklus wurde an einem Laborprüfstand eine Einsparung von 40 % Pumpenarbeit gegenüber einem vergleichbar dimensionierten konventionellen Stromteilersystem (LUDV) gemessen. Dabei kamen im GSK-System die Modi Normalbetrieb NM und Hochdruckregeneration HD-R zum Einsatz. In bestimmten Betriebssituationen sind darüber hinaus noch deutlich größere Einsparungen von zum Teil über 50 % möglich. Im betrachteten Grabzyklus wurden mithilfe nichtlinearer Systemsimulation 20 % Energieeinsparung ermittelt. Weiteres Einsparpotential lässt sich mithilfe intelligenterer Umschaltstrategien und weiterer Betriebsmodi erschließen, welche mit der gegebenen Laborausrüstung (Baggerarm mit Nackenzylinder und Tank auf Atmosphärendruck) nicht realisierbar waren. Hierbei erscheint insbesondere die Niederdruck-Kurzschlussregeneration ND-R-SC besonders attraktiv, weil sie energieneutrale Senkbewegungen erlaubt. Auch verbraucherübergreifende Regenerationsschaltungen sind mit getrennten Steuerkanten denkbar. 7. DANKSAGUNG Die präsentierten Forschungsarbeiten erfolgten innerhalb des Projektes „Neue Lösungen für elektrohydraulische Steuerungssysteme mobiler Arbeitsmaschinen mit getrennten Steuerkanten“ (Förderkennzeichen WE4828/1). Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung. Literaturverzeichnis [And13] Andersen, T. ; Pedersen H. ; Skouboe, T. ; Jacobsen, M. ; Department of Energy Technology, University of Aalborg, Denmark: Investigation and comparison of separate meter in separate meter out control strategies. Proceedings of the ASME/BATH 2013 Symposium on Fluid Power & Motion Control. Sarasota, Florida, USA, 2013 [Bin00] Bindel, Ralf ; Nitsche, Rainer ; Rothfuß, Ralf ; Zeitz, Michael: Flachheitsbasierte Regelung eines hydraulischen Antriebs mit zwei Ventilen für einen Großmanipulator, Bd. 48. In: Automatisierungstechnik, S. 124–131 [Kol16] Kolks, Giacomo ; Weber, Jürgen ; Institute for Fluid Power (IFD), Technische Universität Dresden: Modiciency - Efficient industrial hydraulic drives through independent metering using optimal operating modes. Proceedings of the 10. International Fluid Power Conference. Dresden, 2016 [Kun02] Kunze, G. ; Göhring, H. ; Jacob, K.: Baumaschinen: Erd- und Tagebaumaschinen. Fachbuch : Vieweg Verlag, 2002 [Lüb16] Lübbert, Jan ; Sitte, André ; Beck, Benjamin ; Weber, Jürgen: Load-Force adaptive Outlet Throttling - An easily commissionable Independent Metering Control Strategy. Proceedings of the 2016 Symposium on Fluid Power and Motion Control. Bath, United Kingdom, 2016 [Mel92] Melchinger, Uli: Simulation der Arbeitsbewegungen und Antriebssysteme von Hydraulikbaggern. Technische Universität Berlin. Dissertation, 1992 [Sit14] Sitte, André ; Beck, Benjamin ; Weber, Jürgen ; Institute for Fluid Power (IFD), Technische Universität Dresden: Design of independent metering control systems. Proceedings of the 9th International Fluid Power Conference. Aachen, Germany, 2014 [Web05] Weber, Jürgen ; Lautner, Erik: Intelligente Baumaschinensteuerungen und alternative Antriebssysteme : Tagungsbeitrag VDBUM Seminar. Braunlage / Harz, 2005 Abkürzungen GSK HD-R HD-R-SC ND-R ND-R-SC NM P-IDW SIL Formelzeichen Getrennte Steuerkanten Hochdruckregeneration Hochdruckregeneration über Kurzschlussventil Niederdruckregeneration Niederdruckregeneration über Kurzschussventil Normalmodus Primär-Individualdruckwaage Software in the Loop K Reglerverstärkung p bar Druck Q l/min Volumenstrom T s Zeitkonstante t s Zeit v mm/s Geschwindigkeit y mm Ventilschieberhub Indizes 0 Versorgung / Pumpe Ab Ablaufkammer erf erforderlich Ist Istwert L Last LF Lastführend LS Load Sensing m Messblende (Stromregelventil) min Minimalwert P Pumpe R Regler Reg Regeneration Soll Sollwert t Totzeit Zu Zulaufkammer Z,0 Zulauf (Versorgung) Autoren: Dipl.-Ing. Jan Lübbert, Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber, Institut für Fluidtechnik (IFD), Professur für fluidmechatronische Systemtechnik, Technische Universität Dresden O+P Fluidtechnik 5/2018 41
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